煤炭物流冬季一體化運營模型的建立與應(yīng)用

劉顥顥

(國家能源投資集團有限責任公司，北京市東城區(qū)，100011)

國家能源集團于2017年11月28日正式掛牌成立，是中央直管國有重要骨干企業(yè)、國有資本投資公司改革試點企業(yè)，擁有煤炭、火電、新能源、水電、運輸、化工、科技環(huán)保、金融8個產(chǎn)業(yè)板塊。其中，推進一體化經(jīng)營，提升質(zhì)量和績效，確保國有資產(chǎn)保值增值，努力成為保障能源供應(yīng)、維護國家能源安全的穩(wěn)定器和壓艙石是集團發(fā)展戰(zhàn)略體系中6項核心理念之一[1]。

1 一體化運營概況

目前，國家能源集團已建成投運的鐵路有包神鐵路、神朔鐵路、大準鐵路、準池鐵路、朔黃鐵路等，自營鐵路總里程達到2155 km。一體化運營依托自營鐵路，源源不斷地將煤炭從神東和準能礦區(qū)運往港口，然后經(jīng)船舶轉(zhuǎn)運抵達東部沿海電廠和用戶[2-3]。一體化運營示意圖見圖1。

圖1 一體化運營示意圖

近3年來，通過黃驊港中轉(zhuǎn)運抵東部沿海電廠和用戶的煤炭占一體化運量的59.2%，如表1所示。由表1可以看出，保證黃驊港吞吐效率是一體化高位平穩(wěn)運行的關(guān)鍵。

表1 近3年黃驊港吞吐量占比表

根據(jù)歷年實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當黃驊港場存降至160萬t以下時，港口船貨不匹配、船等煤等現(xiàn)象凸顯，裝船效率大幅下降，船舶錨地停時大幅延長，沿海電廠和用戶面臨燃煤告急；當黃驊港場存上升至250萬t以上時，港口卸車流程沖突、部分煤種堆存能力受限等現(xiàn)象凸顯，卸車效率大幅下降，鐵路出現(xiàn)保留重車，一體化上游需大面積調(diào)減裝車。要保證一體化高位平穩(wěn)運行，黃驊港場存應(yīng)控制在160～250萬t的合理區(qū)間。

2 冬季一體化運營特點

2.1 市場煤炭需求旺盛

進入取暖季，受天然氣供應(yīng)緊張、水電進入枯水期等影響，煤炭需求大幅增加。其中，東部沿海電廠煤炭日耗保持在70萬t以上，庫存可用天數(shù)維持在低位，補庫和拉運煤炭意愿較強。

2.2 港口封航時間較長

受大風(fēng)和大霧等惡劣天氣影響，冬季黃驊港封航次數(shù)多且持續(xù)時間長。從歷年封航時間統(tǒng)計看，黃驊港月均封航時間為80.3 h，其中冬季月均封航時間長達141.6 h，合計約6 d左右。

2.3 鐵路沿線氣溫較低

進入冬季，北方氣溫降至冰點以下，橫跨于內(nèi)蒙古、陜西、山西、河北4省(區(qū))的一體化鐵路沿線最低氣溫將達到-30℃左右。為了防止出現(xiàn)凍車，影響一體化運營效率，冬季一體化調(diào)運組織過程中禁止鐵路沿線出現(xiàn)保留重車[4]。

結(jié)合冬季一體化運營特點、黃驊港目前煤炭品種及堆存情況，為防止鐵路沿線出現(xiàn)大面積保留重車、斷崖式調(diào)減和增加裝車造成鐵路運行大幅波動，避免港口出現(xiàn)凍車和鐵路機力大量浪費，保障一體化高位平穩(wěn)有序運行，黃驊港場存應(yīng)控制在合理區(qū)間的低位水平，即冬季黃驊港最優(yōu)場存應(yīng)控制在160～180萬t。

3 一體化運營模型

3.1 模型概述

根據(jù)“一體化裝運卸平衡”原則和黃驊港場存變化規(guī)律，建立以一體化外部條件變化前的黃驊港最優(yōu)場存為期初場存，以上游礦區(qū)裝車、下游鐵路各口分流、鐵路重車保有量變化和裝船量為變量來表示黃驊港第i天期末場存的目標函數(shù)。根據(jù)天氣預(yù)報和目標函數(shù)約束條件，提前調(diào)整上游裝車和下游鐵路各口分流數(shù)，避免鐵路沿線出現(xiàn)保留重車，確保黃驊港場存始終保持在合理區(qū)間波動并有序回歸至最優(yōu)場存。

3.2 模型假設(shè)

3.2.1 列車平均載重假設(shè)

國家能源集團鐵路現(xiàn)有C64、C70、C70E、C80、C80B、KM98等多種車型，每列載重0.422～0.432萬t不等。根據(jù)歷年實際裝車列數(shù)和噸數(shù)的數(shù)據(jù)分析，假設(shè)所有車型載重相等，即所有列車載重噸數(shù)為常數(shù)q，取值0.425萬t。

3.2.2 運行平均周時假設(shè)

一體化運行主要涉及9個煤源生產(chǎn)組織單位、5個鐵路公司的50多個裝車站、3個國鐵交口、7個鐵路沿線卸車點、2個港口的17臺翻車機。每列車運行時間受裝卸站點距離不同，存在很大的差距。目前列車運行最長周時為3.6 d，最短周時為0.8 d，根據(jù)貨車周轉(zhuǎn)時間車輛相關(guān)法計算得出平均周時為3.0 d左右。

3.2.3 港口卸車即到重假設(shè)

一體化鐵路在運行過程中存在很多影響因素，且重車到達港口后，卸車需要一定的時間，港口卸車數(shù)與港口到重數(shù)存在一定的差異?，F(xiàn)假設(shè)一體化正常運行情況下，港口無車輛積壓，待卸車保持恒定，當日分流到港重車數(shù)與當日卸車數(shù)相等，即Qi黃驊=Xi黃驊。

3.3 符號定義

(1)C0黃驊：黃驊港最優(yōu)期初場存；

(2)Ci0黃驊：第i天黃驊港期初場存；

(3)Ci黃驊：第i天黃驊港期末場存；

(4)△Ci黃驊：第i天黃驊港場存變化量；

(5)Xi黃驊：第i天黃驊港卸車量；

(6)Zi黃驊：第i天黃驊港裝船量；

(7)Qi裝車：第i天包神、神朔、大準、準池和朔黃管內(nèi)裝車量；

(8)ni裝車：第i天包神、神朔、大準、準池和朔黃管內(nèi)裝車數(shù)量；

(9)Qi分流：第i天黃驊港、大同東口、大新口、王佐、沿線和黃萬線分流量；

(10)ni分流：第i天黃驊港、大同東口、大新口、王佐、沿線和黃萬線分流數(shù)量；

(11)△Qi保有量：第i天包神、神朔、大準、準池和朔黃鐵路重車保有量變化；

(12)△ni保有量：第i天包神、神朔、大準、準池和朔黃鐵路重車保有數(shù)量變化；

(13)n：調(diào)整一體化運行使黃驊港場存有序回歸至最優(yōu)期初場存所需天數(shù)。

3.4 一體化運營模型目標函數(shù)的建立

根據(jù)“黃驊港場存變化”和“一體化裝運卸平衡”原則，結(jié)合符號定義，可以得出：

(1)

利用模型假設(shè)條件，根據(jù)公式(1)得出：

(2)

從公式(2)可以看出：黃驊港第i天期末場存與當天期初場存、上游裝車數(shù)、下游鐵路各口分流數(shù)、鐵路重車保有數(shù)量變化及裝船量之間存在一定的關(guān)系，且第i天黃驊港期初場存等于第i-1天黃驊港期末場存。

現(xiàn)以黃驊港最優(yōu)期初場存作為第1天期初場存，可以得出黃驊港第i天期末場存，即一體化運營模型目標函數(shù)：

(3)

3.5 模型約束條件

模型約束條件根據(jù)現(xiàn)有一體化運營水平進行設(shè)置，體現(xiàn)了一體化運營的特性、需求以及能力。

約束1：黃驊港合理場存約束；

約束2：黃驊港裝船能力大于卸車能力約束；

約束3：上游各鐵路管內(nèi)裝車數(shù)量和下游鐵路各交口分流數(shù)量約束。

3.6 一體化運營調(diào)整方案

一體化運營調(diào)整流程如圖2所示，由圖2可以看出一體化運營調(diào)整方案主要包含以下4個部分。

(1)根據(jù)天氣預(yù)報預(yù)測黃驊港封航開始時間和累計封航時間。

(2)按照現(xiàn)有上游裝車、下游分流和重車保有量水平，預(yù)測封航期間黃驊港最高場存。

(3)當預(yù)測封航期間黃驊港最高場存低于250萬t時，一體化運營不需要調(diào)整；當預(yù)測封航期間黃驊港最高場存超出250萬t時，根據(jù)運行平均周時假設(shè)，需要提前1.5 d調(diào)減上游裝車、加大下游鐵路各口分流數(shù)，確保封航期間黃驊港最高場存始終保持在合理區(qū)間。

(4)封航結(jié)束后，一方面加大海事協(xié)調(diào)，利用天氣好轉(zhuǎn)最大化組織裝船；另一方面加大下游鐵路各口分流，確保黃驊港場存有序回歸至最優(yōu)場存。

圖2 一體化運營調(diào)整流程圖

4 實例分析

本文結(jié)合一體化運營的歷年生產(chǎn)情況和季節(jié)性特點，總結(jié)提煉出冬季一體化運營模型和調(diào)整方案。該成果已成功應(yīng)用于2018年冬季一體化運營工作中，并取得良好的效果。現(xiàn)以2018年12月一次一體化運營調(diào)整全過程為例，分析冬季一體化運營模型和調(diào)整方案在指導(dǎo)一體化運營中的作用。

4.1 一體化運營調(diào)整過程

2018年12月2-17日一體化運營關(guān)鍵指標見表2，一體化上游裝車與黃驊港場存變化曲線見圖3。從黃驊港場存變化情況可以看出，本次一體化運營變化調(diào)整過程共分為3個階段。

表2 2018年12月2-17日一體化運營關(guān)鍵指標

圖3 一體化上游裝車與黃驊港場存變化曲線

4.1.1 第一階段

黃驊港2日天氣預(yù)報：2日夜間到3日白天，黃驊港海面有大霧，局地有能見度不足200 m的強濃霧，3日上午風(fēng)力6～7級，濃霧逐漸散去。據(jù)此預(yù)測黃驊港2-3日將發(fā)生14～16 h大霧封航。從表2中可以得到2日一體化運營相關(guān)參數(shù)：C0黃驊=181.2萬t，n=1 d，ni裝車=235列，ni大同東+ni大新+ni王佐+ni沿線+ni黃萬=105列，△ni保有量=0，Zi黃驊=0，q=0.425萬t/列。

將上述相關(guān)參數(shù)代入一體化運營模型目標函數(shù)，得出封航1 d 黃驊港場存將達到236.5萬t，場存增加55.3萬t。預(yù)計封航時間取平均值15 h，得出封航期間黃驊港場存預(yù)計增加55.3×15÷24=34.5萬t，場存增加至215.7萬t<250萬t，表明封航期間黃驊港場存始終保持在合理區(qū)間，一體化運營不需要調(diào)整。

4.1.2 第二階段

黃驊港4日18∶00天氣預(yù)報：受強冷空氣影響，黃驊港海面自6日白天開始有7～8級、陣風(fēng)9～10級大風(fēng)，預(yù)計7日夜間轉(zhuǎn)5～6級。據(jù)此預(yù)測黃驊港6-7日將連續(xù)大風(fēng)封航36 h左右。從表2中可以得到4日一體化運營相關(guān)參數(shù)：Ci0黃驊=213.1萬t，ni裝車=235列，ni大同東+ni大新+ni王佐+ni沿線+ni黃萬=90列，q=0.425萬t/列，Z設(shè)計黃驊=70萬t/d。封航期間黃驊港裝船Z黃驊=0；假設(shè)不調(diào)減上游裝車和增加下游分流，鐵路重車保有量將不發(fā)生變化，即△ni=△ni+1=△ni+2=0。

將上述相關(guān)參數(shù)代入式(2)可以得出：按照4日一體化運營水平，預(yù)計7日黃驊港場存將上升至286.6萬t，即Ci+2黃驊=286.6萬t>250萬t，需要提前調(diào)整一體化運營，確保封航期間黃驊港最高場存不突破合理場存上限。

根據(jù)4日天氣預(yù)報及預(yù)測的黃驊港場存，自5日開始，一體化運營提前1.5 d調(diào)減上游裝車和加大下游鐵路各口分流。截至7日封航結(jié)束，黃驊港調(diào)進較4日水平累計減少95列約40.3萬t，場存最高增加至242.3萬t，在合理區(qū)間范圍內(nèi)。

4.1.3 第三階段

封航結(jié)束后，通過最大化組織裝船和繼續(xù)加大下游鐵路各口分流等措施，黃驊港場存有序回落；同時平穩(wěn)增加一體化上游裝車，運營水平再次達到高位。截至17日，黃驊港場存降至179.6萬t，回歸到最優(yōu)場存范圍內(nèi)；同時上游裝車和鐵路重車保有量也達到了一體化運營的高位水平。

4.2 一體化運營模型和調(diào)整方案應(yīng)用效果

(1)黃驊港場存始終保持在合理區(qū)間。根據(jù)天氣預(yù)報，提前調(diào)減上游裝車和加大下游分流，確保黃驊港場存不突破250萬t；封航結(jié)束后加大裝船組織，使黃驊港場存有序回歸至最優(yōu)場存。

(2)鐵路沿線未出現(xiàn)保留重車。一體化運營調(diào)整模型和調(diào)整方案應(yīng)用后，鐵路沿線未出現(xiàn)保留重車，為國家能源集團一體化運營2018年冬季成功實現(xiàn)“零凍車”、創(chuàng)造歷史性突破奠定了基礎(chǔ)。

(3)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益?！傲銉鲕嚒钡膶崿F(xiàn)，避免了港口清凍車造成鐵路沿線出現(xiàn)保留重車、斷崖式調(diào)整裝車造成鐵路機力大量浪費，保障了一體化高位平穩(wěn)有序運行，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

本文在分析一體化運營現(xiàn)狀和冬季一體化運營特點基礎(chǔ)上，總結(jié)提煉出一體化運營模型和調(diào)整方案。該成果的應(yīng)用為冬季一體化運營調(diào)整提供了理論基礎(chǔ)和操作流程。

(1)建立了一體化運營模型目標函數(shù)。根據(jù)“一體化裝運卸平衡”原則和黃驊港場存變化規(guī)律，建立以一體化外部條件變化前的黃驊港最優(yōu)場存為期初場存，以上游礦區(qū)裝車、下游鐵路各口分流、鐵路重車保有量變化和裝船量為變量來表示黃驊港第i天期末場存的目標函數(shù)。

(2)提煉出冬季一體化運營模型調(diào)整方案。根據(jù)一體化運營模型目標函數(shù)，結(jié)合冬季一體化運營特點，總結(jié)提煉出冬季一體化運營模型調(diào)整方案及流程圖。

(3)該成果成功應(yīng)用于指導(dǎo)冬季一體化運營工作中。一體化運營模型和調(diào)整方案在2018年冬季一體化運營工作中的應(yīng)用，確保了黃驊港場存始終保持在合理區(qū)間波動并有序回歸最優(yōu)場存，避免了鐵路沿線出現(xiàn)重車保留，實現(xiàn)了“零凍車”歷史性突破，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。